金属疲劳破坏机理及断口分析

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1、第三章金属疲劳破坏机理及断口分析一、疲劳宏观断口1、疲劳断口的特征疲劳断口宏观来看由两个区域组成：疲劳裂纹产生及扩展区和最后断裂区。图1、疲劳断裂宏观断口（a）旋转弯曲试样疲劳断口（b）疲劳断口示意图（1）疲劳裂纹产生及扩展区由于材料的质量、加工缺陷或结构设计不当等原因，在零件或试样的局部区域造成应力集中，这些区域便是疲劳裂纹核心产生的策源地。疲劳裂纹产生后，在交变应力作用下继续扩展长大。常常留下一条条的同心弧线，叫做前沿线（疲劳线），这些弧线形成了象“贝壳”一样的花样，也称为贝纹区。断口表面因反复挤

2、压、摩擦，有时光亮得象细瓷断口一样。（2）最后断裂区疲劳裂纹不断扩展，使得零件或试样有效断面逐渐减少，应力不断增加，当应力超过材料的断裂强度时，则发生断裂，形成最后断裂区。对于塑性材料，断口为纤维状，呈暗灰色。对于脆性材料则是结晶状。（1）试样或零件所受载荷类型。（2）试样或零件所受应力的大小。（3）应力集中因素。2、影响疲劳断口的因素图2、平板试样拉压疲劳断口形态示意图（a）平板试样；（b）带缺口的平板试样图3、各类疲劳断口形态的示意图二、金属疲劳破坏机理疲劳裂纹的产生金属所受交变应力的最大值低于材

3、料的屈服强度，为什么会产生疲劳断裂呢？为了搞清楚金属疲劳断裂的本质，通常是在消除外界应力集中的情况下，研究金属疲劳的微观变化，从而提高疲劳抗力的途径。图4、静拉伸和交变载荷下的滑移带（a）静拉伸（σ＞σ0.2）（b）交变应力（σ=σ-1，N=105次）从图4可以看出，静拉伸试样表面上到处布满细密的滑移带。交变载荷下，经过应力循环之后，只有部分晶粒的局部地方出现细滑移带，表现为滑移的不均匀性。这种滑移的不均匀性通常集中在金属表面、金属的晶界及金属夹杂物等处，并在该处形成疲劳裂纹核心。图5低碳钢经过不同循

4、环次数后形成的滑移带。图5、低碳钢在交变应力下（σ=σ-1）滑移带的发展（a）N=104次；（b）N=2×106次图6、低碳钢（σ=2σ-1）形成的滑移带（a）N=6×104次；（b）电解抛光后留下的“驻留滑移带”图7、交变应力下金属表面形成的“挤出脊”及“挤入沟”驻留滑移带、挤出脊、挤入沟等，都是金属在交变载荷作用下表面不均匀滑移造成的疲劳裂纹核心策源地。这些裂纹核心在交变应力作用下逐渐扩展，相互连接，最后发展成为宏观疲劳裂纹，图8所示。图8、疲劳裂纹经过滑移集中区产生疲劳裂纹核心的地方还有晶界，孪

5、晶界以及非金属夹杂物等处，如图9、10、11所示。图9晶界处形成的疲劳裂纹核心（铁—钴—钒合金）（a）晶界处应力集中；（b）晶界处产生裂纹图10孪晶处形成的疲劳裂纹核心用位错理论解释疲劳裂纹的形成：第一阶段，在交变载荷作用下，金属表面上发现有均匀分布的细滑移线，如图12所示。第二阶段主要表现为滑移带交宽，以致形成“驻留滑移带”。如图13位错模型来解释。在交变应力作用下，当两条细滑移线上螺位错滑移时，便使滑移面上堆积的位错相消，则在这些面上的位错源S1、S2、S3等将继续产生位错，滑移线便发展增长，许多

6、滑移线发展，就表现为滑移带的变宽和加深，以致形成“驻留滑移带”。图11非金属夹杂物处产生的疲劳裂纹（a）夹杂物处的不均匀滑移；（b）夹杂物处形成的疲劳裂纹核心图12疲劳第一阶段形成的细滑移线图13滑移线的发展图14平行二面上两列异号位错相消形成空洞三、疲劳裂纹的扩展疲劳裂纹是咋样扩展的呢？裂纹扩展有什么特征呢？在没有应力集中的情况下，疲劳裂纹扩展可以分为两个阶段，如图15所示。图15疲劳裂纹扩展的阶段疲劳裂纹扩展的第Ⅰ阶段，通常是从金属表面上的驻留滑移带、挤入沟或非金属夹杂物等处开始，沿最大切应力（和

7、主应力方向近似成45°）的晶面向内扩展，由于各晶粒的位向不同以及晶界的阻碍作用，随着裂纹向内扩展，裂纹的方向逐渐转向和主应力垂直。这一阶段的扩展速率很慢，每一应力循环大约只有10À数量级，扩展的深度约有几个晶粒。在有应力集中的情况下，则不出现第Ⅰ阶段，而直接进入第Ⅱ阶段。第二阶段---裂纹扩展方向和主应力垂直。这一阶段裂纹扩展的途径是穿晶的，其扩展速率较快，每一应力循环大约为微米数量级。电子显微镜断口分析中能看到一些疲劳辉纹（疲劳条纹）。这种疲劳辉纹是判断零件是否疲劳断裂的有力依据。疲劳辉纹分为塑性辉

8、纹、脆性辉纹和微坑辉纹等几种。（1）塑性辉纹的形成过程，如图16所示。图16（a）表示交变应力为零时，裂纹闭合。图16（b）表示裂纹受拉时裂纹张开，裂纹尖端尖角处由于应力集中而沿45°方向产生滑移。图16（c）表示当拉应力达到最大时，滑移区扩大，使裂纹尖端变成了近似半圆形。裂纹尖端由锐变钝，应力集中减小，最后滑移停止，裂纹停止扩展。----“塑性钝化”。图16（d）表示反号应力作用时，滑移沿相反方向进行，原裂纹表面和新产生的裂纹表面被压近，在裂纹顶端处被